+ All Categories
Home > Documents > Air Emissions Displacement by Energy Efficiency and ... · Synapse Energy Economics, Inc. Emissions...

Air Emissions Displacement by Energy Efficiency and ... · Synapse Energy Economics, Inc. Emissions...

Date post: 17-Mar-2020
Category:
Upload: others
View: 4 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
49
485 Massachusetts Avenue, Suite 2 Cambridge, Massachusetts 02139 617.661.3248 | www.synapseenergy.com Air Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy A Survey of Data, Methods, and Results June 26, 2015 AUTHORS Bruce Biewald Joseph Daniel Jeremy Fisher, PhD Patrick Luckow Alice Napoleon Nidhi Santen, PhD Kenji Takahashi
Transcript

 

 

 

 

  

485 Massachusetts Avenue, Suite 2 

Cambridge, Massachusetts 02139  

617.661.3248 | www.synapse‐energy.com 

 

 

 

Air Emissions Displacement by 

Energy Efficiency and 

Renewable Energy   

A Survey of Data, Methods, and Results  

 

June 26, 2015 

  AUTHORS 

Bruce Biewald 

Joseph Daniel 

Jeremy Fisher, PhD 

Patrick Luckow 

Alice Napoleon 

Nidhi Santen, PhD 

Kenji Takahashi 

 

 

 

CONTENTS 

1.  EXECUTIVE SUMMARY ....................................................................................... 1 

2.  THEORY AND LITERATURE ................................................................................... 3 

2.1.  Introduction to Displaced Electricity Generation and Emissions ......................................... 3 

2.2.  Displaced Electricity and Emissions Explained .................................................................... 5 

2.3.  Selected Literature on Displaced Emissions from Energy Efficiency and Renewable Energy Resources ........................................................................................................................ 12 

3.  NATIONAL STUDIES ......................................................................................... 14 

3.1.  Annual Energy Outlook 2014 ........................................................................................... 15 

3.2.  Synapse Clean Energy Future Scenarios ........................................................................... 18 

4.  REGIONAL STUDIES ......................................................................................... 19 

4.1.  ISO New England ............................................................................................................. 20 

4.2.  PJM Interconnection........................................................................................................ 21 

4.3.  Electric Reliability Council of Texas .................................................................................. 23 

4.4.  Southwest Power Pool .................................................................................................... 24 

4.5.  Regional Study Summary ................................................................................................. 25 

5.  INTEGRATED RESOURCE PLANNING ..................................................................... 26 

5.1.  Tennessee Valley Authority 2015 IRP ............................................................................... 27 

5.2.  PacifiCorp 2015 IRP .......................................................................................................... 28 

5.3.  Duke Energy Carolinas 2014 IRP ....................................................................................... 31 

6.  QUANTIFYING EMISSIONS DISPLACEMENTS USING AVERT ....................................... 34 

6.1.  Introduction .................................................................................................................... 34 

6.2.  The AVoided Emissions and geneRation Tool (AVERT) ..................................................... 34 

6.3.  Case Study 1: CO2 Emissions Displacement Potentials from Energy Efficiency and Renewable Energy Resources in 10 U.S. Regions .............................................................. 35 

6.4.  Case Study 2: CO2 Emissions Displaced from New Energy Efficiency in 2012 Across the United States ................................................................................................................... 38 

APPENDIX A: EXPANDED METHODS AND LITERATURE REVIEW ......................................... A1 

 

 

ACKNOWLEDGEMENT 

This report was prepared by Synapse Energy Economics (Synapse), pursuant to a grant from the Energy 

Foundation, to assess the greenhouse gas emissions impacts of introducing new energy efficiency and 

renewable energy resources into U.S. power systems. 

 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 1  

1. EXECUTIVE SUMMARY  

Energy efficiency and renewable energy can, and do, reduce air pollution that would otherwise be 

emitted from power plants on the electricity grid. Although the grid operates as a large integrated 

network—with hundreds of individual generating units dispatched to meet constantly changing 

customer demand on a continuous (second‐to‐second) basis—it is possible to understand and estimate 

the impacts of energy efficiency and renewable energy on grid operations. Typically, energy efficiency 

and renewable energy displace operations from a mix of generating stations that burn coal, natural gas, 

and occasionally oil to generate electric power. “Displacement” occurs when a new energy efficiency or 

renewable energy resource eliminates or reduces the need for megawatt‐hours (MWh) of electricity 

generation from fossil‐fired power stations. Over a longer period of time, new energy efficiency or 

renewable energy resources can also defer or altogether avoid the addition of fossil generating units 

that would otherwise have been built, or expedite the retirement of the least efficient, highest emitting 

generation resources. By reducing operations, avoiding capacity, or expediting retirements of fossil 

power stations, additions in energy efficiency and renewable energy resources result in decreased air 

emissions of carbon dioxide (CO2), sulfur dioxide (SO2), oxides of nitrogen (NOX), particulate matter, and 

toxics. 

In this report, Synapse looks at four types of studies to examine the impact of energy efficiency and 

renewable energy on stationary‐source emissions, and to quantify the resulting decreases in CO2 

emissions. The studies include analyses at the national, regional, and utility service territory levels, 

conducted by a variety of authors: a federal agency, grid operators, utilities, and a private consulting 

firm. For the most part, these studies were not designed to specifically examine the emissions impact of 

energy efficiency or renewable energy, and yet they consistently show that increases in energy 

efficiency or renewable energy displace CO2‐emitting generation.  

The national‐level studies examined here contain scenarios with more energy efficiency and/or 

renewable energy than would be expected in a reference or business‐as‐usual case, allowing us to 

compare emissions as a function of efficiency and renewable energy. For example, the Energy 

Information Agency’s (EIA’s) Annual Energy Outlook (AEO) includes scenarios that differ based on simple 

policy mechanisms and inputs. This allows for greater isolation of impacts relative to models of other, 

more complex policy scenarios such as implementation of a carbon tax. Analysis of the 2014 AEO reveals 

that additional energy efficiency and renewable energy resources are projected to displace emissions at 

a rate of between 0.75 – 0.35 metric tons per megawatt hour (tCO2/MWh) (in this report, called a 

displaced emissions rate), depending on the extent of the energy displacement and the year in which it 

is projected to occur. In a forthcoming study, Synapse Energy Economics uses the National Renewable 

Energy Laboratory’s ReEDS model and public data sources to investigate how the U.S. electric power 

system would respond to a “Clean Energy Future” case. This analysis projects that, as reliance on fossil 

fuels declines in the Clean Energy Future case relative to a Reference case, emissions decline 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 2  

substantially, amounting to a displaced emission rate of about 0.8 tCO2/MWh throughout the study 

period. 

The seven regional transmission organizations (RTOs), responsible for dispatching electricity over large 

areas of the United States, provide another source of data on displacement of emissions. The findings of 

four recently published RTO reports indicate that regional emissions displacement rates over the past 

year have ranged from 0.80 – 0.30 tCO2/MWh. These numbers are considerable. To put it in context, a 

500 megawatt wind farm might displace 500,000 to 1.2 million tCO2 every year,1 or up to 25 million tCO2 

over a 20‐year life.  

Many utilities assemble forward‐looking long‐term resource plans that analyze potential future resource 

scenarios. Some utilities evaluate alternative, clean energy portfolios with more aggressive renewable 

energy and/or energy efficiency resources. The results of these analyses reveal the extent to which such 

clean energy scenarios can result in additional reductions in CO2 emissions. Based on a review of dozens 

of these long‐term integrated resource plans (IRPs), Synapse identified three studies—by Tennessee 

Valley Authority, PacifiCorp, and Duke Energy Carolinas—that provide both the annual changes in 

energy mix and CO2 emissions for one or more clean energy portfolios relative to a reference case 

portfolio. For each IRP reviewed, projected electric system CO2 emissions were lower for portfolios with 

increased energy efficiency or renewable energy penetration than for a reference case portfolio with 

less energy efficiency or renewable energy. For example, TVA’s Maximize Renewables plan reduces CO2 

emissions by 7 million tCO2 by 2033 relative to its Reference Plan.  

Lastly, the report presents the results from the U.S. Environmental Protection Agency’s (EPA’s) AVERT 

model, which illustrate the pronounced effects that energy efficiency and renewable energy can have on 

operations and emissions of fossil‐based generators. The larger the proportion of higher carbon‐

emitting resources in a region’s existing generation capacity mix, the larger the role energy efficiency 

and renewable energy can play in displacing CO2 emissions. Additionally, the more these zero‐emitting 

resources are implemented in a region, the larger is the volume of CO2 emissions displaced as a 

percentage of total fossil generating unit CO2 emissions. Results of this analysis show that historical CO2 

emissions displaced from new energy efficiency in 2012 ranged from roughly 4.9 million tCO2 in the 

Great Lakes/Mid‐Atlantic region, to a low of 0.2 million tCO2 in the Lower Midwest region, a pattern 

reflective of the penetration of new efficiency initiatives and policies. 

Figure 1 summarizes results from the sets of studies reviewed. The displaced emissions rates of the 

studies were largely bounded by the U.S. electric system‐wide average emissions rate for natural gas‐

fired power plants (all types) on the one hand, and by the average emissions rate for coal‐fired power 

plants on the other. It also displays the typical emissions rate of coal and natural gas‐fired units.2 

                                                            

1 500 MW windfarm at 35% assumed capacity factor and 0.3t/MWh displacement = 460,000 tons CO2. At 0.8 t/MWh = 

1,230,000 tons CO2. 

2 U.S. EPA. Clean Energy. Available at: http://www.epa.gov/cleanenergy/energy‐and‐you/affect/air‐emissions.html. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 3  

Figure 1. Range of displaced CO2 emission rates in surveyed studies 

Sources: AEO 2014; 2012 ISO New England Electric Generator Air Emissions Report; PJM 2014 Marginal Emission Report; calculations based on ERCOT 2013 State of the Market Report and SPP 2013 State of the Market Report; TVA 2015 Integrated Resource Plan – 2015 Draft Report; U.S. EPA’s AVoided Emissions and geneRation Tool (AVERT). 

2. THEORY AND LITERATURE 

2.1. Introduction to Displaced Electricity Generation and Emissions  

The CO2 emissions reduction benefit of energy efficiency and zero‐emitting electric power generation 

technologies such as wind and solar power has been established, implied, or otherwise referenced in a 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 4  

wide range of popular energy sector reports for over a decade.3,4,5,6,7,8,9,10 The National Action Plan for 

Energy Efficiency (2009) stated a goal of 500 million metric tons11 of CO2 reductions from energy 

efficiency by 2025 in the United States. EPA’s Roadmap for Incorporating Energy Efficiency/Renewable 

Energy Policies and Programs into State and Tribal Implementation Plans (2012) provides guidance for 

including energy efficiency and renewable energy emission benefits in local air quality plans. McKinsey & 

Company’s Greenhouse Gas Abatement Cost Curve (2009) finds that relatively low cost energy efficiency 

technologies have the potential to reduce CO2 equivalent emissions globally by 14 billion tons. Among 

many other examples, EIA’s AEO (2014) shows different scenarios, all of which include energy efficiency‐

based CO2 reductions in forecasted energy use and emissions. (The AEO scenarios are discussed further 

in Chapter 3.) 

Underlying all of these references is the idea that energy efficiency and renewable energy resources can 

displace emissions that would otherwise have been released from carbon‐emitting generation 

resources. However, while energy efficiency and renewable energy have the potential to reduce 

emissions by avoiding electricity generation from carbon‐emitting resources, the reductions are 

indirect12 and therefore can be difficult to characterize. The temporal and spatial variation in demand 

reduction from different energy efficiency and renewable energy resources, and the complexity with 

                                                            

3 U.S. Energy Information Administration. 2014. Annual Energy Outlook 2014, with projections to 2040. Report DOE/EIA‐0383. 

Available at: http://www.eia.gov/forecasts/archive/aeo14/pdf/0383(2014).pdf. 

4 U.S. EPA. 2012. Roadmap for Incorporating Energy Efficiency/Renewable Energy Policies and Programs into State and Tribal 

Implementation Plans. Available at: http://epa.gov/airquality/eere/pdfs/eeremanual.pdf. 

5 Electric Power Research Institute. 2007. The Power to Reduce CO2 Emissions: The Full Portfolio. Discussion paper prepared for 

the EPRI 2007 Summer Seminar by the EPRI Energy Technology Assessment Center. Available at: http://mydocs.epri.com/docs/public/DiscussionPaper2007.pdf. 

6 McKinsey & Company. 2009. Pathways to a Low Carbon Economy. Version 2 of the Global Greenhouse Gas Abatement Cost 

Curve. Available at: http://www.mckinsey.com/~/media/McKinsey/dotcom/client_service/Sustainability/cost%20curve%20PDFs/Pathways_lowcarbon_economy_Version2.ashx. 

7 International Panel on Climate Change. 2014. Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working 

Group III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Edenhofer, O., R. Pichs‐Madruga, Y. Sokona, E. Farahani, S. Kadner, K. Seyboth, A. Adler, I. Baum, S. Brunner, P. Eickemeier, B. Kriemann, J. Savolainen, S. Schlömer, C. von Stechow, T. Zwickel and J.C. Minx (eds.)]. Cambridge, United Kingdom and New York, NY: Cambridge University Press. Available at: http://mitigation2014.org/report/publication/. 

8 Pacala, S. and R. Socolow. 2004. “Stabilization Wedges: Solving the Climate Problem for the Next 50 Years with Current 

Technologies.” Science 305: 968‐972. 

9 Prindle, W. 2009. “Energy Efficiency as a Low‐Cost Resource for Achieving Carbon Emissions Reductions.” National Action Plan 

for Energy Efficiency. Prepared by ICF International, Inc. Available at: www.epa.gov/eeactionplan. 

10 National Research Council. 2010. Real Prospects for Energy Efficiency in the United States. Washington, DC: The National 

Academies Press. 

11 Throughout this report, tons refer to metric tons. Where original sources cite short tons, these values were converted to 

metric tons for consistency. 

12 Energy efficiency and renewable energy emission reductions are indirect in that they are not the result of direct controls on 

electric generating unit stacks; rather, they are the result of system‐level changes that call on the power plants to reduce their output. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 5  

which energy efficiency and renewable energy resources interact with the physical generation portfolio 

and other characteristics of the underlying electricity markets can make the process by which emissions 

are avoided rather opaque. In short, determining the electric generation units (EGUs) from which 

production and emissions are displaced—and how—is complex.  

2.2. Displaced Electricity and Emissions Explained 

In the electric power sector, each unit of energy saved by a new energy efficiency program or supplied 

by a new renewable energy resource avoids the need for energy from an existing generator. In most 

cases, the generating resources most readily avoided are fossil‐fired, affecting CO2 emissions that would 

have otherwise been released. Breaking down the mechanism of displacement can be a useful way to 

consider how energy efficiency and renewable energy resources reduce overall emissions. We can think 

of the effect of any specific project upon the electricity grid in terms of its effect on how units are 

actually dispatched (the “operating margin”) and its effect on longer‐term capacity additions (the “build 

margin”).  

First, a new energy efficiency and renewable energy resource can displace emissions by eliminating or 

reducing the need for megawatt‐hours (MWh) of electricity generation at an existing carbon‐emitting 

EGU—displacing electricity at the operating margin. Consider a new energy efficiency program. When a 

new energy efficiency resource actively begins reducing the demand for electricity, the system responds 

by reducing the level of generation at the EGUs “on the margin”—the set of generating units that were 

operating precisely to meet those last units of energy that otherwise would be demanded. Typically, 

operating margin impacts occur in the near term13 with respect to a new energy efficiency and 

renewable energy resource coming online, but this is not necessarily the case.  

For CO2 emissions to be displaced, the EGUs that are displaced must be carbon‐emitting resources. 

Indeed, in the U.S. power sector and in many power sectors around the world, this is the case. EGUs are 

dispatched on a cost merit‐order basis: the least expensive units (reflecting their fuel costs, start‐up and 

shut‐down costs, and other variable operations and maintenance costs) and the least flexible units 

(reflecting their ramp rates and minimum capacity requirements) are called upon to generate power 

first as “base load” resources, and successively more expensive units are called upon to meet the next 

increments of demand up to the peak load. This merit‐order process results in nuclear power and run‐

of‐the‐river hydropower most often serving as base load resources, followed by coal, natural gas, and 

oil‐fired resources filling in each successive increment of required load.  

Figure 2 provides a schematic of the typical merit order of dispatchable resources. 

   

                                                            

13 In this context, near term means as short as seconds to as long as roughly three years (corresponding to the shortest period 

in which a new peaking resource could be brought online).  

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 6  

Figure 3 illustrates the effect of renewable solar resources displacing generation from marginal fossil 

EGUs. When electricity demand is reduced due to energy efficiency, generation resources can be 

thought of as being displaced in a reverse merit‐order, with dispatchable oil, natural gas, and coal‐fired 

resources being called on first to turn off or down. This process is further depicted in Figure 4, which 

shows actual generation from fossil EGUs in the Texas system during three days in the summer of 2014. 

Generation is ordered by annual capacity factors of the corresponding EGUs—showing an effective 

“dispatch” order—and highlights the opportunity for higher‐emitting units to be displaced during 

marginal and peak load times. In the case of a new renewable energy resource, such as a new wind farm 

or a solar PV installation, the displacement end‐effect is the same, albeit through a slightly different 

physical mechanism. In the case of increased wind generation, for example, overall electricity demand is 

not reduced; the renewable power is being used to meet existing load. However, due to the low variable 

costs incurred by renewable energy resources such as wind and solar (with no fuel costs and negligible 

other operations and maintenance costs), their merit order with respect to other resources is high; the 

least‐cost dispatch decision thus most often involves using renewable generation whenever it is 

available.14 This approach results in dispatchable EGUs participating in the typical merit order process 

experiencing lower “net demand”; natural gas‐ and coal‐fired generators still experience a displacement 

effect from renewable energy. Overall, new energy efficiency and renewable energy resources displace 

emissions from EGUs at the operating margin because the MWhs avoided (from energy efficiency) or 

produced (from renewable energy) reduce or eliminate, respectively, the need for MWh production at 

existing fossil‐fired EGUs during the same time periods.  

                                                            

14 Exceptions to this include times of congestion or other physical reliability or unique market constraints that can require the 

system operator to “curtail” renewable power. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 7  

Figure 2. Schematic of least‐cost merit order dispatch 

 

Source: Synapse Energy Economics. 2015. 

   

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 8  

Figure 3. Simplified example of system dispatch and displaced electricity generation over a three‐day period in a summer 

month: reference case with no solar (top) and alternative case with 600 MW of solar resources online (bottom) 

 

Source: Fisher, J., De Young, R., and Santen, N.R. (2015) “Assessing the Emission Benefits of Renewable Energy and Energy Efficiency using EPA’s AVoided Emissions and geneRation Tool (AVERT).” Presented at the 2015 U.S. EPA International Emission Inventory Conference "Air Quality Challenges: Tackling the Changing Face of Emissions.” San Diego, CA April 13‐16, 2015. 

 ‐

 200

 400

 600

 800

 1,000

 1,200

7/7 7/8 7/9

Dem

and (MW)

Gas D

Gas C

Gas B

Gas A

Coal B

Coal A

Original Load

 ‐

 200

 400

 600

 800

 1,000

 1,200

7/7 7/8 7/9

Dem

and 9MW)

Gas D

Gas C

Gas B

Gas A

Coal B

Coal A

Original Load

Load ‐ Solar

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 9  

Figure 4. Generation from fossil EGUs, ordered by annual capacity factor, in Texas during three days in the summer of 2014 ‐colors represent annual average CO2 emissions rate per EGU 

 

Source: U.S. EPA Clean Air Markets Division (CAMD) Air Markets Program Data (AMPD), 2014. Data from Continuous Emissions Monitoring System (CEMS). Compiled by authors. 

A related, but separate mechanism by which new energy efficiency and renewable energy resources 

displace electricity and associated emissions is by impacting the build margin of an underlying electricity 

system’s generation portfolio. In reality, the evolution of the generation capacity mix of an electric 

power system is extraordinarily complex, driven by various practical, political, and subjective 

deliberations in utility, state, and regional capacity expansion planning processes. However, underlying 

the decisions to build new resources is a multi‐dimensional consideration of forecasted demand growth, 

capital costs, production costs (fuel and plant operation as well as maintenance), system reliability, risk 

(e.g., exposure to fuel price volatility and supply disruption), capital and construction‐time constraints, 

environmental regulations, economic development, and other policy objectives.  

Taken together, the impact of a new energy efficiency and renewable energy project on the choice to 

build, defer, or cancel new generation—or to retire existing generation—constitutes displaced 

generation at the build margin. In other words, a new energy efficiency and renewable energy resource 

can displace emissions by deferring or altogether avoiding the addition of carbon‐emitting resources 

that would otherwise have been built at a specified time. In some cases, a new energy efficiency and 

renewable energy resource can affect the build margin by expediting the retirement of another 

resource, most often the least efficient EGUs with the highest heat rates and highest carbon emissions 

rates. Over time, total displaced emissions continue to increase as potential future emissions are 

displaced one new project at a time. As this occurs, the marginal emissions rate, and thus the total 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 10  

amount of annual emissions displaced by energy efficiency and renewable energy, tends to decrease as 

newer, higher‐efficiency and lower‐emitting resources are deferred at the build margin and appear 

more frequently at the operating margin. 

Return for a moment to the example of the new energy efficiency resource discussed above in the 

context of operating margins. The energy efficiency resource will reduce overall demand, which will 

subsequently be factored into forecasted demand growth. New generation capacity additions tend to 

track peak demand; a reduction in this demand will generally reduce the total MW required in future 

years to continue reliably meeting customer requirements. Fossil‐based electricity and the emissions 

associated with them will be displaced to the extent that they were planned to meet peak loads (i.e., 

natural gas‐fired combustion turbines are the most commonly planned peaking EGUs). It is worth noting 

that displacement by way of the build margin tends to occur over longer timeframes than displacement 

at the operating margin; decisions to add new capacity typically happen in two to five year planning 

cycles and there are also multi‐year lead times for constructing new EGUs. However, this does not need 

to be the case. Consider an example where a group of energy efficiency and renewable energy projects 

totaling 50 MW comes online immediately preceding construction of a phased‐unit fossil‐fired power 

plant with four identical 50 MW natural gas units with short construction times. From a system planning 

perspective, the energy efficiency and renewable energy can defer or even eliminate installation of one 

of these units altogether.  

Various factors will affect the level of displacement at either the operating or build margin, including the 

size of the new energy efficiency and renewable energy resource, its timing for being online, and 

operating characteristics. Additionally, there are a range of features of the underlying electricity grid 

that factor into the relative effect of a new energy efficiency and renewable energy resource on 

operating versus build‐margin displacements, including system management, transmission constraints, 

capacity surpluses or shortages, and of course the underlying physical generation capacity mix. Table 1 

uses a simple example to show how a new energy efficiency and renewable energy resource can 

displace electricity (and thus emissions) at the operating and build margins.  

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 11  

Table 1. Illustrative example: displacement effects of a new renewable energy project 

  “Reference” system capacity 

additions without new renewable 

energy project 

Renewable energy project 

System capacity additions with new renewable energy project 

Capacity Difference 

from Reference to renewable energy scenario 

Dominant Displacement Mechanism 

Operating Margin 

Build Margin 

2015  ‐‐  ‐‐ ‐‐ ‐‐    

2016  ‐‐  10 MW (renewable 

energy)

‐‐ +10 MW X   

2017  ‐‐  ‐‐ ‐‐ + 10 MW X   

2018  10 MW (gas)  ‐‐ ‐‐ ‐‐ ?  X 

2019  ‐‐  ‐‐ ‐‐ ‐‐ ?  X 

2020  50 MW (gas)  ‐‐ 50 MW (gas) ‐‐ ?  X 

2021  ‐‐  ‐‐ ‐‐ ‐‐ .  X 

2022  50 MW (gas)  ‐‐ 50 MW (gas) ‐‐ .  X 

Source: Adapted from Biewald. B. 2005. Using Electric System Operating Margins and Build Margins in Quantification of Carbon Emission Reductions Attributable to Grid Connected CDM Projects. Synapse Energy Economics report prepared for UN FCCC. 

In this example, without the 10 MW renewable energy project in 2016, 10 MW of natural gas‐fired units 

would be built in 2018, and 50 MW of gas units in both 2020 and 2022. However, with the renewable 

energy project coming online in 2016 (assuming January 1), the system will have an excess capacity of 10 

MW relative to the reference case in years 2016 and 2017. During this time, this renewable energy will 

be displacing electricity (and emissions) at the operating margin; as a renewable resource it will most 

likely be used over alternative EGUs by the system operator when it is producing. Beginning in year 

2018, the renewable energy project will commence actively displacing electricity at the build margin due 

to the fact that its existence has avoided the installation of the 2018 capacity addition in the reference 

case. In reality, almost all new energy efficiency and renewable energy projects will displace some 

fraction of electricity and emissions at the operating margin with the balance at the build margin; the 

relative fractions will be project and time‐period specific. Additionally, while the simple example in 

Table 1 does not show it, in the case of non‐identical technology displacements on a per MW‐basis (e.g., 

renewable energy versus fossil) we cannot expect that electricity and emissions displacements will be 

one to one; there are too many interactions that take place between the operations of different 

technologies and the underlying market. However, for the purposes of this report, it is sufficient to keep 

the general concepts of electricity displacement at the operating margin and build margin in mind. In 

Chapter 3, we will revisit the notion of operating and build margins in reviewing EIA’s AEO. For further 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 12  

discussion of operating and build margins, and the theory of electricity displacement, see Biewald 

(2005)15 and Matsuo (2004).16 

2.3. Selected Literature on Displaced Emissions from Energy Efficiency and Renewable Energy Resources 

Responding to the complexity with which new energy efficiency and renewable energy resources can 

affect CO2 emissions, and a need to continue supporting various policy and planning objectives, 

numerous academic studies over the past decade have sought to estimate the electricity generation 

displaced by energy efficiency or renewable energy (and the subsequent displaced 

                                                            

15 Biewald, B. 2005. Using Electric System Operating Margins and Build Margins in Quantification of Carbon Emission 

Reductions Attributable to Grid Connected CDM Projects. Synapse Energy Economics report prepared for UN FCCC. 

16 Matsuo. 2004. CDM Methodologies Guidebook. Japan: Ministry of the Environment (MOE), Global Environment Centre 

Foundation (GEC), Climate Experts Ltd. Available at: http://gec.jp/main.nsf/en/Publications‐Others‐CDM_Meth_Guidebook. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 13  

emissions).17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32 Most of these studies integrate various features that are 

known, or can be observed, about the underlying electricity system into quantitative models that 

provide the amount of electricity and emissions displaced for given levels of renewable energy and 

energy efficiency on the system. Methods for evaluation vary, but the majority focus on displacement at 

the operating margin. On one end of this spectrum are simple statistical methods that involve 

calculating an average emission rate across all operating EGUs in a region using historical data, to apply 

as the rate by which emissions are reduced in the future. On the other end are very complex simulation 

                                                            

17 Bettle, R., Pout, C.H., and E.R. Hitchin. 2000. “Interactions Between Electricity‐Saving Measures and Carbon Emissions from 

Power Generation in England and Wales.” Energy Policy: 34: 3434‐3446. 

18 Cullen, J. 2013. “Measuring the Environmental Benefits of Wind‐Generated Electricity.” American Economic Journal: 

Economic Policy. 5(4): 107‐133. 

19 Kaffine, D.T., McBee, B.J., and J. Lieskovsky. 2013. “Emission Savings from Wind Power Generation in Texas.” The Energy 

Journal 34(1): 155‐175. 

20 Siler‐Evans, K., I.L. Azevedo, M.G. Morgan, and J. Apt. 2013. “Regional Variations in the Health, Environmental, and Climate 

Benefits of Wind and Solar Generation.” Proceedings of the National Academy of Sciences 110(29): 11768‐11773. 

21 Hausman, E., Fisher, J., and B. Biewald. 2008. “Analysis of indirect emissions benefits of wind, landfill gas, and municipal solid 

waste generation.” EPA Document 600/R‐08‐087, Prepared for the US Environmental Protection Agency by Synapse energy Economics, Inc. 

22 High, C. and G. Neeraj. 2011. Avoided Emissions from the Antrim Wind Project. Accessed April 2015 at http://antrim‐

wind.com/files/2012/03/RSG‐Final‐Avoided‐Emissions‐Report.pdf. 

23 Newcomer, A., S.A. Blumsack, J. Apt, L.B. Lave, and M.G. Morgan. 2008. “Short Run Effects of a Price on Carbon Dioxide 

Emissions from U.S. Electric Generators.” Environmental Science and Technology 42(9): 3139–44. 

24 Rothschild, S. and A. Diem. 2009. “Total, Non‐base load, eGRID Subregion, State? Guidance on the Use of eGRID Output 

Emission Rates.” 18th Annual International Emission Inventory Conference "Comprehensive Inventories ‐Leveraging Technology and Resources". Baltimore, MD. 

25 Zhai, P. and P. Larsen, D. Millstein, S. Menon, and E. Masanet. 2012. “The Potential for Avoided Emissions from Photovoltaic 

Electricity in the United States.” Energy 47: 443‐450. 

26 Denny, E. and M. O'Malley, M. 2006. "Wind generation, power system operation, and emissions reduction," Power Systems, 

IEEE Transactions on 21(1): pp.341,347. doi: 10.1109/TPWRS.2005.857845  

27 Denny, E. and M. O’Malley. 2007. “Quantifying the Total Net Benefits of Grid Integrated Wind.” Power Systems, IEEE 

Transactions on 22(2). 

28 Denholm, P., R.M. Margolis, and J.M. Milford. 2009. “Quantifying Avoided Fuel Use and Emissions from Solar Photovoltaic 

Generation in the Western United States.” Environmental Science and Technology 43(1): 226‐232. 

29 Fisher, J. et al. 2009. “Emissions Reductions from Energy Efficiency and Renewable Energy in California Air Quality 

Management Districts.” California Energy Commission Report CEC‐500‐2013‐047. Prepared for the California Energy Commission by Synapse Energy Economics. 

30 Valentino, L., V. Valenzuela, A. Botterud, Z. Zhou, and G. Conzelmann. 2012. “System‐Wide Emissions Implications of 

Increased Wind Power Penetration.” Environmental Science and Technology 46: 4200‐4206. 

31 National Renewable Energy Laboratory (NREL). 2013. The Western Wind and Solar Integration Study Phase 2. Available at: 

http://www.nrel.gov/docs/fy13osti/55588.pdf. 

32 Sustainable Energy Authority of Ireland (SEAI). 2012. “Quantifying Ireland’s Fuel and CO2 Emissions Savings from Renewable 

Electricity in 2012” Available at: http://www.seai.ie/Publications/Statistics_Publications/Energy_Modelling_Group_Publications/Quantifying‐Ireland%E2%80%99s‐Fuel‐and‐CO2‐Emissions‐Savings‐from‐Renewable‐Electricity‐in‐2012.pdf. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 14  

or optimization electricity dispatch models that represent detailed features of the underlying physical 

electrical system, costs, and operational constraints of individual generators, transmission, and aspects 

of how the regional market is organized and run.  

Within these categories, models differ with respect to the level of detail, the assumptions they rest 

upon, and the level of accessibility for decision‐makers and other key stakeholders. There are inherent 

tradeoffs and differences between these two approaches, and because of this the reality is that most 

methods used to estimate displaced emissions in the electricity sector fall somewhere in between the 

simple and complex. As an example, AVERT (the AVoided Emissions and geneRation Tool) is a statistical 

model of intermediate complexity, but it is still able to capture a high degree of electricity‐system level 

accuracy and provide valuable insight about displaced emissions. (AVERT will be described further in 

Chapter 6.) Despite the variation in methods and level of detail included in the studies, several key 

themes emerge across their results: 

Displacement increases with the scale of net demand reduction from energy efficiency and renewable energy 

The underlying generation capacity portfolio of a region is a strong driver of displacement potential from resources such as renewable energy and energy efficiency 

Increased renewable energy may increase some short‐term emissions due to cycling (i.e. running existing units at a lower efficiency), but overall substantially reduces emissions by displacing fossil‐fired EGUs 

Coal‐fired EGUs were more impacted than might be expected based on traditional indicators of “marginal” units 

Further details for many of the studies cited above are provided in Appendix A.  

3. NATIONAL STUDIES 

Estimates of displaced emissions can be calculated from a number of national level studies.33 Many of 

these studies look at a range of different scenarios that include more energy efficiency and/or 

renewable energy than would be expected in a reference case or “business‐as‐usual” case. Many studies 

change multiple variables; consequently, it is difficult to attribute reductions in emissions to a specific 

feature of that scenario. Some studies do model single‐variable changes to inputs as compared to a 

reference case. This would include reducing the price of energy efficiency or renewable energy,34 or 

                                                            

33 See Section 2.3 of this report. 

34 Additional energy efficiency is likely to impact renewable energy because it can reduce Renewable Portfolio Standard 

requirements and defer the need to build new resources. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 15  

imposing a cost or cap on emissions from fossil fuel‐fired generating units. The EIA’s AEO includes 

scenarios that differ based on simple policy mechanisms and inputs, allowing for greater isolation of 

impacts relative to models of other, more complex policy scenarios like implementation of a carbon 

tax.35 In a study to be published later this summer, Synapse is investigating how the electric power 

system would respond to an aggressive Renewable Portfolio Standard and incremental energy efficiency 

savings targets of 2 percent per year. 

This chapter looks at the most recent complete EIA AEO model runs and the forthcoming Synapse study 

to calculate displaced emissions rates as a result of increased energy efficiency or renewable energy. 

3.1. Annual Energy Outlook 2014 

Each year, the EIA publishes the AEO report, presenting a number of long‐term projections of U.S. 

energy supply, demand, and prices. AEO is often relied upon for this type of information because it is 

produced by an independent agency, updated regularly, and is publically available. The report includes a 

reference case that reflects baseline assumptions and a series of alternative scenarios. For the 2014 AEO 

report (AEO 2014), the EIA ran 30 alternative scenarios, including several with increased amounts of 

energy efficiency and/or renewable energy.36  

This chapter compares the results of the three alternative scenarios to EIA’s reference case: Low 

Renewable Cost, High Demand Technology, and Best Available Demand Technology. Each of the three 

alternative cases differs only slightly from the reference case, allowing us to infer the incremental 

impact of additional energy efficiency and/or renewable energy. The alternative scenarios are described 

below.37 

As the name implies, the Low Renewable Cost scenario assumes the costs of new renewable energy resources are lower than in the reference case. Other assumptions from the reference case remain unchanged. As a result, the Low Renewable Cost scenario sees nearly 300 million more MWh of renewable energy generation in 2040, as compared to the reference case. Figure 5 displays the increase of renewable energy generation, above the AEO 2014 Reference Case, between 2015 and 2040.  

The High Demand Technology case differs from the reference case only in assuming higher levels of adoption of efficient demand‐side technologies (for example, more efficient light bulbs, air‐conditioning units, and refrigerators). By 2040, the total demand for electricity under the High Demand Technology scenario is nearly 500 million MWh 

                                                            

35 Models that include a carbon tax or carbon cap are likely to see changes in all resource types which makes it challenging to 

attribute changes in emissions due to specific changes in operating or build margin.  

36 AEO 2015 has been released; however, not all of the scenarios have been published. As of May 20, 2015, AEO 2014 was the 

most up‐to‐date EIA long‐term, national energy forecast.  

37 U.S. EIA. Data from table browser, “Electricity Generation by Electricity Market Module Region and Source.” Data.gov. 

Accessed May, 2015. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 16  

less than in the reference case. Reductions in demand, compared to the AEO 2014 Reference Case, are shown in Figure 5 as an increase in energy efficiency.  

The Best Available Demand Technology scenario is similar to the High Demand Technology scenario, but it assumes that the best available demand‐side technologies are adopted and it results in even higher levels of energy efficiency. Under the Best Available Demand Technology scenario, the total demand for electricity is over 600 million MWh less than in the reference case by 2040. Reductions in demand, compared to the AEO 2014 Reference Case, are shown in Figure 5 as an increase in energy efficiency. 

Figure 5. Increase in energy efficiency or renewable energy as compared to AEO 2014 Reference Case 

Source: AEO 2014, Authors’ calculation 

AEO 2014 also includes emissions data associated with its modeling of the electric sector. As a result of 

either lower demand or increased generation from renewable energy, emissions decrease below 

reference case levels in all three scenarios. Not surprisingly, the scenario with the largest change in 

energy (Best Available Demand Technology) also sees the largest change in total emissions. The scenario 

with the least total change in energy (Low Renewable Cost) saw the smallest change in total CO2 

emissions. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 17  

Figure 6. Changes in electric system CO2 emissions as compared to AEO 2014 Reference Case 

 Source: AEO 2014, Authors’ calculation 

By comparing the energy data in Figure 5 to the emissions data of Figure 6, we can infer a displaced 

emissions rate for energy efficiency or renewable energy resources under each scenario. Figure 7 also 

displays the calculated emissions rate of coal and natural gas, i.e. the ratio of emissions to generation 

from each fuel type for each year in all cases.  

Figure 7. Implied displaced emissions rate of energy efficiency or renewable energy under AEO scenarios 

 Source: AEO 2014, Authors’ calculation 

For all three scenarios analyzed, the implied displaced emissions rate fell between the emissions rates of 

coal‐ and gas‐ fired generating units. In early years, the displaced emissions rate reflects the 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 18  

displacement of a blend of existing coal and natural gas generation at the operating margin.38 Over the 

long‐term, all three scenarios show an implied displaced emissions rate that generally trends 

downwards, as increasing energy efficiency and renewable energy start to influence long‐term planning 

decisions. In the base case, new, more efficient gas units (with relatively low emissions rates) start to 

replace the existing fossil fleet. 39 When additional energy efficiency and renewable energy resources 

are introduced, some of these units are deferred or not built at all – thus, in out‐years, energy efficiency 

and renewable energy displace new fossil generation.  

3.2. Synapse Clean Energy Future Scenarios 

Later this summer, Synapse will publish its own analysis of a Clean Energy Future, exploring the costs of 

a significant expansion of renewables and energy efficiency by 2040.40 This analysis uses the National 

Renewable Energy Laboratory’s ReEDS model and public data sources to investigate how the electric 

power system would respond to a 70 percent Renewable Portfolio Standard by 2040 coupled with 

incremental energy efficiency savings targets of 2 percent per year. Compared to a Reference case 

based on the EIA’s 2014 Annual Energy Outlook forecast that excludes most existing state energy 

efficiency policy and meets existing state RPS policies, this “Clean” case represents a substantial and 

concurrent expansion of both energy efficiency and renewable energy. 

While the Reference case does not build any substantial amount of new coal capacity, it continues to 

utilize existing capacity resources throughout the study period in the absence of a national carbon 

policy. The result is a slow but steady growth in emissions. As reliance on fossil fuels declines in the 

Clean Energy Future case, there is a relatively high emissions displacement rate of about 0.8 tCO2/MWh 

throughout the study period (see Table 2). 

Table 2: Implied displacement rate from Synapse ReEDS analysis 

 

Incremental Energy (GWh)  CO2 Displaced 

(Million tCO2) Implied Emission Rate (tCO2/MWh) EE  RE 

2020  211  38  201  0.81 

2030  796  619  1,163  0.82 

2040  1,344  1,105  1,856  0.76 

Source: Synapse Energy Economics using NREL ReEds model. 2015. 

                                                            

38 To a lesser extent both energy efficiency and renewable energy resources displaced some amount of nuclear, and energy 

efficiency resources also displaced some amount of renewable energy. 

39 Older units could be replaced with new units of the same fuel type (example: old gas being replaced with new gas) or could 

be replaced by a new, more efficient unit that operates on a different fuel type (example old coal being replaced with new gas).  

40 Vitolo, T., P. Luckow, S. Fields, P. Knight, B. Biewald, E. Stanton. “Low Electric Costs in a Low‐Emission Future.” Forthcoming 

in July 2015. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 19  

As discussed at the beginning of this section, caveats apply to using national studies done for different 

purposes to infer a displacement emissions rate. In addition to a mandated level of energy efficiency 

and renewable energy in the Synapse Clean Energy Future, an expansion of electric vehicles was 

assumed, as well as increased utilization of demand response resources. The impact of these factors is 

difficult to disaggregate from other effects—electric vehicles push demand up overall, increasing the 

utilization of existing fossil resources, as well as the demand for new energy efficiency or renewable 

energy resources. Demand response reduces the peak demand, which is typically composed of less 

efficient fossil resources, but represents a very small portion of the overall annual emissions and 

generation. 

4. REGIONAL STUDIES 

Displaced emissions from energy efficiency and renewable energy can be inferred from reports provided 

by electric system operators. Within the United States, there are seven regional transmission 

organizations (RTOs) that operate the electric grid: ISO New England (ISO‐NE), New York ISO (NYISO), 

PJM Interconnection (PJM), Midcontinent ISO (MISO), Southwest Power Pool (SPP), Electric Reliability 

Council of Texas (ERCOT), and California ISO (CAISO). Multiple utilities operate within each of these 

RTOs, but the RTO is responsible for dispatching electricity over large areas (typically across state lines). 

Each of the RTOs publishes “State of the Market” reports, which detail important market information 

including locational marginal prices. Many of the reports include information about marginal fuels 

and/or emissions, often with the purpose of helping to determine emissions reductions from energy 

efficiency and renewable energy programs. This chapter reviews the findings of the four that have 

recently published marginal fuel and/or marginal emissions reports. The studies conducted by the RTOs 

focus on dispatchable, supply‐side resources (including demand response) but do not look at demand‐

side resources like energy efficiency or net metered renewable energy. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 20  

Figure 8. Map of RTOs in the United States 

Source: http://sustainableferc.org/wp‐content/uploads/2014/04/RTOs‐ISOs.png 

4.1. ISO New England 

ISO New England is the regional transmission organizer for all six New England states (Maine, New 

Hampshire, Vermont, Massachusetts, Connecticut, and Rhode Island). In addition to releasing State of 

the Market reports, ISO‐NE conducts the New England Electric Generator Air Emissions Report, an 

annual marginal emissions study for the region. The report was originally developed to “determine the 

emission reductions that demand‐side management (DSM) programs have had upon New England’s” air 

emissions; it has since been expanded to “include the benefits of energy efficiency programs and 

renewable energy projects within the region.”41  

The report’s primary data sources include ISO‐NE hourly generation data and the air emissions 

information reported to EPA. In 2012, ISO‐NE used two methodologies to determine marginal emissions 

rates: the Fuel Type Assumed (FTA) method, which assumes oil‐ and natural gas‐fired EGUs are on the 

margin in all hours, and the Locational Marginal Units (LMU) method, which assumes that the “marginal 

units used to set energy prices” are the ones that would be displaced with a reduction in load or 

increase in lower‐cost generation.42 In ISO‐NE, natural gas was on the margin 78 percent of the time in 

                                                            

41 ISO New England Inc. 2012. “2012 ISO New England Electric Generator Air Emissions Report.” Page 6. Available at: 

http://www.iso‐ne.com/static‐assets/documents/genrtion_resrcs/reports/emission/2012_emissions_report_final_v2.pdf.  

42 ISO New England Inc. 2012. “2012 ISO New England Electric Generator Air Emissions Report.” Page 11‐12. Available at: 

http://www.iso‐ne.com/static‐assets/documents/genrtion_resrcs/reports/emission/2012_emissions_report_final_v2.pdf.  

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 21  

2012, up from 63 percent of the time in 2009. Coal was on the margin 14 percent of the time in 2009, 

but only 4 percent of the time in 2012.43  

Though the LMU and FTA methods yield barely differentiable results for the marginal emissions rate in 

New England, both methods yield a value between 0.4 and 0.5 tCO2/MWh in 2009 to 2012 (see Figure 

9).  

Figure 9. Marginal emissions rate in New England, 2009–2012 

Source: 2012 ISO New England Electric Generator Air Emissions Report. 

4.2. PJM Interconnection 

PJM is the regional transmission organization for Pennsylvania, New Jersey, Maryland, West Virginia, 

Ohio, nearly all of Virginia, most of eastern Kentucky, and parts of both Illinois and Indiana. According to 

the State of the Market reports, between 2011 and 2014, coal‐ and gas‐fired generating units have been 

the most common marginal generating units for the interconnection.44 Since 2011, gas‐fired generating 

units have increasingly been the marginal operating unit in PJM, increasing from 27 percent in 2011 to 

36 percent in 2014, while the role of coal‐fired units has declined from 67 percent to 53 percent over 

                                                            

43 ISO New England Inc. 2012. “2012 ISO New England Electric Generator Air Emissions Report.” Page 19. Available at: 

http://www.iso‐ne.com/static‐assets/documents/genrtion_resrcs/reports/emission/2012_emissions_report_final_v2.pdf.  

44 Determination of the type of marginal resource is based on primary fuel type. For generating units that are capable of 

generating electricity from more than one fuel type, PJM does not require the disclosure of fuel type associated with bid offer. PJM’s State of the Market report does not appear to differentiate between combined cycle, combustion turbine, and steam turbine units. Due to transmission constraints, it is possible that there is more than one marginal unit at any one moment.  

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 22  

that same time period. Oil‐fired units were on the margin 2.6 percent of the time in 2011 and 7.5 

percent of the time in 2014.  

Figure 10. Breakdown of marginal resource in PJM by year, 2011–201445 

Source: 2012 and 2014 PJM State of the Market reports.46,47 

In 2014, PJM released the 2014 Marginal Carbon Emissions Report, which reported the marginal 

emissions of the PJM system between 2009 and 2014. The report breaks down emissions into three 

categories: system average, marginal off‐peak, and marginal on‐peak.48 PJM system average emissions 

are the average emission rate of the PJM system over all hours of the day. It includes not just the 

marginal resource but all of resources (both emitting and non‐emitting). As shown in Figure 11, the 

marginal emissions rate has been significantly higher than the system average emissions rate in PJM, as 

coal resources are often on the margin and drive up the marginal emissions rate. Over the time period 

analyzed, the PJM system average emissions rate stayed consistently around 0.5 tCO2/MWh; the 

marginal emissions rate varied more widely—between 0.84 and 0.64 tCO2/MWh (see Figure 11).49  

                                                            

45 The category labeled “Other” represents between 0.3% and 0.6% of the marginal resources in a given year. It includes 

municipal waste, uranium, and emergency demand response.  

46 Monitoring Analytics, LLC. 2015. 2014 State of the Market Report for PJM, Vol. 2. Table 3‐6, Page 76. Available at: 

http://www.monitoringanalytics.com/reports/PJM_State_of_the_Market/2014/2014‐som‐pjm‐volume2.pdf. 

47 Monitoring Analytics, LLC. 2013. 2012 State of the Market Report for PJM, Vol 2. Table 2‐16, Page 62. Available at: 

http://www.monitoringanalytics.com/reports/PJM_State_of_the_Market/2012/2012‐som‐pjm‐volume2.pdf. 

48 The report doesn’t specify what it is using to define peak, off‐peak, or system average.  

49 PJM. 2015. PJM 2014 Marginal Carbon Emissions Report. Available at: http://www.pjm.com/~/media/committees‐

groups/committees/mic/20150311/20150311‐informational‐marginal‐carbon‐emissions‐report.ashx. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 23  

Figure 11. PJM marginal and system average emissions rates, 2009 – 2014 

 Source: PJM 2014 Marginal Emission Report. 

In general, the marginal emissions rate has been trending downward in PJM. In some years, the on‐peak 

marginal emissions rate (the average marginal emission rate for all on‐peak hours) has been higher than 

the off‐peak marginal emissions rate (average marginal emission rate for all on‐peak hours). This is most 

likely a result of resources that are of the same fuel type but less efficient overall (and therefore higher 

emitting) being dispatched during on‐peak hours.50  

4.3. Electric Reliability Council of Texas 

The Electric Reliability Council of Texas (ERCOT) is the RTO for nearly all of Texas. In its 2013 State of the 

Market report, ERCOT noted that recent trends in natural gas prices have resulted in coal being a more 

important marginal fuel than in years past.51 Figure 12 below replicates Figure 55 in the State of the 

Market report, which presents the marginal resource fuel mix for ERCOT in 2011–2013. In 2011, coal 

was on the margin between 25 and 40 percent of the time. Over the three years shown here, that 

fraction has grown to 40 to 45 percent in 2013. Wind‐based resources are also occasionally on the 

margin in ERCOT (meaning that wind may be curtailed if there is a decrease in load), though not as often 

as gas‐ or coal‐fired units.  

                                                            

50 For example, if natural gas combined‐cycle units (NGCCs) are on the margin for both on‐peak and off‐peak hours, the NGCC 

that is on the margin during on‐peak hours is likely to have a higher heat rate (i.e., be less efficient) than the NGCC that is on the margin during the off‐peak hours.  

51 Potomac Economics, Ltd. 2014. 2013 State of the Market Report for the ERCOT Wholesale Electricity Markets. Page 10. 

Available at: https://www.potomaceconomics.com/uploads/ercot_documents/2013_ERCOT_SOM_renewable energyPORT.pdf. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 24  

Figure 12. Marginal resource mix for ERCOT, 2011–2013 

Source: ERCOT 2013 State of the Market Report.  

Unlike PJM or ISO‐NE, ERCOT does not translate marginal resource information into a marginal 

emissions rate. Having more coal on the margin would likely push the marginal emissions rate closer to 

1.0 tCO2/MWh, while gas‐fired EGUs on the margin would push the marginal emissions rate closer to 0.5 

tCO2/MWh. Based on the marginal resource mix of ERCOT, holding all other variables equal, it would be 

reasonable to expect ERCOT’s marginal emissions rate to be lower than PJM’s but higher than ISO‐NE’s – 

roughly 0.7 tCO2/MWh.52,53 

4.4. Southwest Power Pool 

The Southwest Power Pool is the RTO that covers Kansas, Oklahoma, most of Nebraska, and parts of 

Texas, Arkansas, and Louisiana. Like ERCOT, SPP has seen increases in the amount of time that coal 

resources are on the margin. In 2008, coal‐fired units were the marginal units only 30 percent of the 

time, that percentage increased to over 50 percent by 2013.  

In its 2013 State of the Market report, SPP found seasonal variations in the resource that is on the 

margin: gas is most commonly on the margin in higher load months, while coal is typically on the margin 

in low load months.54 Figure 13 shows the marginal resource in SPP by month (in 2012 and 2013) and by 

                                                            

52 This does not account for differences in heat rate of coal‐ or gas‐fired EGUs in these regions.  

53 0.7 tCO2/MWh is based on coal resources with an assumed emission rate of 1.0 tCO2/MWh being on the margin 45% of the 

time, gas resources with an assumed emission rate of 0.5 tCO2/MWh being on the margin about 45% of the time, and wind resources with no CO2 emissions being on the margin 10% of the time. 

54 SPP Market Monitoring Unit. 2014. 2013 State of the Market. Available at: 

http://www.spp.org/publications/2013%20SPP%20State%20of%20the%20Market%20Report.pdf. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 25  

year (2008–2013). The “other” resource in the graphic is wind, which in 2013 was on the margin about 1 

percent of the time.  

Figure 13. Marginal resource in SPP: by month (left) and by year (right) 

 Source: SPP 2013 State of the Market Report. 

SPP does not release a report that details the region’s marginal emissions rates. Given coal’s increasing 

role as a marginal resource, it would be expected that the region’s marginal emissions rate has been 

increasing. Given that coal is on the margin in SPP more often than coal is on the margin in ERCOT, one 

might expect that SPP’s marginal emissions rate is higher than in ERCOT – around 0.75 tCO2/MWh in 

2013.55  

4.5. Regional Study Summary 

For three out of these four RTOs, the marginal resources were comprised of a blend of coal‐ and natural 

gas‐ fired units. The one exception, ISO‐NE, is a region with very little coal in the first place, and natural 

gas is the dominant marginal fuel type. In none of the regions do nuclear, renewable energy, or demand 

response play a significant role as a marginal resource. The marginal emissions rate has consistently 

been calculated between 0.4 and 0.84 tCO2/MWh for those RTOs that make such a calculation (ISO‐NE 

and PJM). For those RTOs that don’t make such an explicit calculation but do provide information on the 

marginal resource fuel type, SPP and ERCOT, it can be inferred that these regions have marginal 

emissions rates within a similar range. This range of marginal emissions rates is in line with the implied 

displaced emissions rate of energy efficiency and renewable energy found in the National Studies 

chapter. (See Figure 7.) In the regions where coal is playing an increasing role as a marginal resource, the 

                                                            

55 0.75 tCO2/MWh is based on coal resources with an assumed emission rate of 1.0 tCO2/MWh being on the margin 50% of the 

time, gas resources with an assumed emission rate of 0.5 tCO2/MWh being on the margin about 49% of the time, and wind resources with no CO2 emissions being on the margin 1% of the time. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 26  

marginal emissions rate is likely to trend upwards. However, as these coal resources are replaced with 

new resources (most likely with lower emissions rates), this trend is likely to reverse and follow the 

same trajectory as other regions and as the national studies indicate (i.e. downwards).  

Figure 14. Implied displaced emissions rate for selected RTOs, 2012 

Source: State of the Market Reports and Authors’ Calculations. 

5. INTEGRATED RESOURCE PLANNING 

Across the country, 36 states currently have an IRP or similar long‐term planning process in place.56 With 

feedback from stakeholders, utilities periodically conduct studies to optimize energy resource 

procurement for future years.57 In many cases, IRP studies evaluate both supply‐ and demand‐side 

resources, including energy efficiency and demand response, and in recent years have increasingly 

considered the retirement of aging coal power plants. Some IRP studies also analyze various resource 

scenarios. Some utilities specifically evaluate “clean energy portfolios” with more aggressive energy 

efficiency and/or renewable energy resources. Thus, when utilities also report CO2 emissions, the results 

of such analyses reveal the extent to which energy efficiency and renewable energy result in reductions 

in CO2 emissions. Further, due to the long‐range planning nature of IRPs, near‐term operating margin 

displacements and long‐term build‐margin emission displacements are represented. 

                                                            

56 U.S. EPA. 2015. Energy and Environment Guide to Action. Chapter 7.  

57 Wilson, R. et al. 2013. Best Practices in Electric Utility Integrated Resource Planning – Examples of State Regulations and 

Recent Utility Plans. Synapse Energy Economics, Inc. Available at http://www.synapse‐energy.com/project/best‐practices‐electric‐utility‐integrated‐resource‐planning.  

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 27  

We identified three studies by large, predominant utilities (Tennessee Valley Authority, PacifiCorp, and 

Duke Energy Carolinas) that provide both the annual changes in energy mix and CO2 emissions for one or 

more clean energy portfolio relative to utility‐defined “base case” portfolios. This chapter summarizes 

the findings of our review of these three IRP studies on generation mix and CO2 emissions.  

5.1. Tennessee Valley Authority 2015 IRP 

Tennessee Valley Authority (TVA) is a federally owned corporation created by congressional charter in 

1933. TVA provides flood control, electricity generation, and economic development throughout the 

Valley. TVA has the largest public power system in the nation, consisting of various types of generating 

resources including 41 coal‐fired units, six nuclear units, 109 conventional hydro power units, four 

pumped‐storage units, 87 simple‐cycle combustion turbine units, and 11 combined‐cycle units.58  

TVA started working on the development of its current IRP with stakeholder groups at the end of 2013 

and released the draft IRP in March 2015 for public comment. The draft IRP modeled five different 

strategies over five different future scenarios. TVA uses a capacity optimization model called System 

Optimizer to select a future resource mix for each of the five strategies to meet lowest cost subject to 

various constraints. Here we review two plans developed under TVA’s base case future outlook, the 

Reference Plan (Strategy A) and the “Maximize Renewables” Plan (Strategy E), which increases the 

amount of renewable energy built in future years. 

As presented Figure 15, TVA’s Reference Plan reduces generation from coal by about 24 TWh through 

2033; much of the reduction in coal generation is replaced with natural gas generation, energy 

efficiency, and renewable energy. Relative to the Reference Plan, the Maximize Renewables Plan builds 

significantly more renewable energy resources (22 TWh by 2033) and significantly less natural gas 

generation (20 TWh); the Maximize Renewables Plan also results in an additional 6 TWh reduction in 

coal generation by 2033.  

                                                            

58 Ibid. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 28  

Figure 15. Resource mix comparison: Strategy A versus Strategy E (TWh) 

Strategy A: Reference Plan 

 

Strategy E: Maximize Renewables 

 

Source: TVA (2015). Integrated Resource Plan – 2015 Draft Report, Appendix E. 

Both plans significantly reduce CO2 emissions over time. The Reference Plan reduces total annual CO2 

emissions to about 43 million metric tons by 2033, about a 36 percent reduction relative to today’s 

level.59 The Maximize Renewables plan reduces total annual CO2 emissions to about 36 million tons by 

2033, a roughly 47 percent reduction from today’s level.60 Overall, the displaced emissions rate for 

incremental renewable energy starts at around 0.33 tCO2/MWh and falls from there to approximately 

0.30 tCO2/MWh by 2033.61  

5.2. PacifiCorp 2015 IRP 

PacifiCorp is one of the largest investor‐owned utilities in the West, serving approximately 1.8 million 

customers in six states. It consists of three business units: Pacific Power which serves customers in 

Oregon, Washington, and California; Rocky Mountain Power which serves customers in Utah, Wyoming, 

and Idaho; and PacifiCorp Transmission which provides transmission services for the Company.62 The 

Company operates 75 generating units across the West with a net capacity of about 10 GW. The largest 

                                                            

59 Tennessee Valley Authority. 2015. Integrated Resource Plan – 2015 Draft Report. Appendix F. 

60 Ibid. 

61 It is not immediately clear why the avoided emissions rate is lower than that of a gas‐fired generator. 

62 PacifiCorp. Available at: http://www.pacificorp.com/about/co.html.  

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 29  

energy sources for the Company are coal (50 percent in capacity) and natural gas (about 25 percent), 

with the rest being provided by renewable energy (mainly consisting of wind and hydro) and power 

purchase contracts.63  

PacifiCorp has been developing an IRP every two to three years with active participation from a diverse 

group of stakeholders. The most recent IRP process was initiated with the first public meeting in June, 

2014 and was released on March 31, 2015. Like TVA, PacifiCorp uses System Optimizer to develop and 

analyze various resource portfolios across a range of different planning assumptions. With stakeholder 

input, PacifiCorp developed a large number of unique resource portfolios over four potential Regional 

Haze compliance scenarios. PacifiCorp developed 34 core resource portfolios defined by the type, 

timing, and location of new resources, as well as assumed retirement dates for existing resources.64 

Figure 16, below, presents modeling results in cumulative generation capacity through 2034 for two 

resource portfolios under the same Regional Haze scenario. Case C01‐1 is a reference case that, for 

planning purposes, assumes one of the Regional Haze compliance scenarios. This case has no specific 

targets for energy efficiency or renewable energy and assumes no future requirements to reduce CO2 

emissions, whether through a CO2 price or regulation by the EPA under 111(d) of the Clean Air Act. In a 

counterpoint, Case C04‐1 results in one of the most aggressive portfolios in terms of energy efficiency 

and renewable energy. This portfolio selects additional energy efficiency and renewable energy before 

re‐dispatching fossil fuel generation in order to meet CO2 regulation requirements. Also, case C04‐1 

forces the model to select energy efficiency at approximately 1.5 percent of retail sales.65 As a result, 

this portfolio builds an additional 1.2 GW of energy efficiency and 2 GW of renewable energy resources, 

and 0.2 GW less new natural gas capacity relative to Case C01‐1.  

                                                            

63 PacifiCorp. 2015. 2015 Integrated Resource Plan, Volume I. Page 62. 

64 Ibid. Page 131. 

65 Ibid. Pages 151 ‐ 152. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 30  

Figure 16. Total cumulative capacity through 2034 for select portfolios 

 Source: Developed based on PacifiCorp (2015). 2015 Integrated Resource Plan, Volume I, Figure 8.1. 

The additional energy efficiency and renewable energy resources in Case C04‐1 result in additional CO2 

emissions reductions, as shown in Figure 17 below. Starting around 2021, Case C04‐1 reduces the 

system CO2 footprint relative to Case C01‐1 by approximately one million tons annually (a two to three 

percent reduction) for three years, and further reduces emissions to approximately 3 tons annually (8 

percent reduction) in later years (2028 to 2033). It is clear that incremental energy efficiency and 

renewable energy reduce the CO2 footprint of the scenario, but because PacifiCorp does not provide 

generation (GWh) outputs in a public forum, we cannot derive a displaced emissions rate from the data 

here. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 31  

 

Figure 17. System CO2 emissions: Case C01‐1 versus Case C04‐1, 2015‐2034 

 

Source: PacifiCorp (2015). 2015 Integrated Resource Plan, Volume I, Appendix M, page 272. 

5.3. Duke Energy Carolinas 2014 IRP 

Duke Energy Carolinas (DEC) serves 2.4 million retail customers and sells wholesale electricity to 

municipalities and to public and private utilities across North Carolina and South Carolina. DEC currently 

meets energy demand with power purchase contracts as well as its own generation assets including 

three nuclear generating stations (with a total capacity of 7 GW), five coal‐fired stations (with a total 

capacity of 7 GW), 29 hydroelectric stations (with a total capacity of 3 GW), and six combustion turbines 

and two combined‐cycle plants (with a total capacity of 4 GW).66 

Each year, as required by the North Carolina Utilities Commission and the Public Service Commission of 

South Carolina, DEC develops and submits an IRP detailing potential infrastructure needed to 

accommodate the forecasted electricity requirements over the next 15 years. DEC’s IRP identifies the 

incremental amount of capacity needed to meet future loads by taking into account growth in customer 

energy consumption and expected resource retirements.67  

In its 2014 IRP, DEC initially screened a variety of new energy resource technologies based on technical 

and economic feasibility. DEC then identified five portfolios and used System Optimizer to conduct a 

sensitivity analysis on those portfolios with various key assumptions such as CO2 prices, coal and natural 

gas commodity prices, power plant capital costs, and incentives for solar photovoltaic systems. Based on 

                                                            

66 Duke Energy Carolinas. 2014. “Duke Energy Carolinas Integrated Resource Plan.” Annual Report. Page 9. 

67 Ibid. Page 4. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 32  

this analysis, DEC finalized the five resource portfolios by determining the appropriate levels of different 

resources under each portfolio.68  

The amount of capacity selected for each portfolio is presented in Figure 18 below. Portfolio 1 assumes 

a base level of energy efficiency (about 1.2 GW by 2029) and renewable energy (about 2.1 GW), and 

Portfolios 4 and 5 assume a greater level of energy efficiency (about 2 GW) and renewable energy 

(about 4.8 GW). Another key difference among these portfolios is the amount of nuclear power. For 

example, Portfolios 1 and 4 include no nuclear resources, while Portfolio 5 assumes construction of 

about 2.2 GW of new nuclear capacity. Portfolio 1 is comparable to Portfolio 4 as both portfolios do not 

have any new nuclear power plants and have different levels of energy efficiency. In these comparisons, 

additional amount of energy efficiency and renewable energy resulted in a significant reduction in new 

combined‐cycle power plant capacity.  

Figure 18. New energy resource mix for five portfolios in DEC’s 2014 IRP, 2034 

 

Source: Duke Energy Carolinas (2014). Duke Energy Carolinas Integrated Resource Plan (Annual Report), September 1, 2014, Table A‐1 and A‐2 and Appendix D. 

DEC evaluates five portfolios (including Portfolio 1, 4, and 5) in more detail with an hourly production 

cost model called PROSYM under the “With CO2” and “No CO2” scenarios, and estimates the cost and 

total system CO2 emissions by portfolio.69 Figure 19 below provides annual CO2 emissions by portfolio 

under the With CO2 scenario. The differences in emissions between Portfolio 1 and Portfolio 4 and 

between Portfolio 2 and Portfolio 5 are largely caused by the additional energy efficiency and renewable 

                                                            

68 Ibid. Pages 49 – 53. 

69 Ibid. Pages 55 and 56. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 33  

energy in Portfolio 4 and 5.70 The difference in annual CO2 emissions between the comparable portfolios 

(Portfolios 1 and 4, and Portfolios 2 and 5) ranges from about a million tons of CO2 in early years, to 

about 5 million tons in later years.71  

Figure 19. Annual CO2 emissions for five portfolios in DEC’s 2014 IRP 

 

Source: Duke Energy Carolinas 2014 IRP. 

 

   

                                                            

70 Portfolio 2 and Portfolio 5 are comparable as both portfolios have the same amount of new nuclear power plants (2.2 GW), 

and different amounts of energy efficiency. 

71 In its IRP, Duke did not indicate whether its emissions projections are in metric or short tons. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 34  

6. QUANTIFYING EMISSIONS DISPLACEMENTS USING AVERT 

6.1. Introduction 

This chapter presents a sequence of case studies using EPA’s AVoided Emissions and geneRation Tool 

(AVERT) to independently quantify the effect of energy efficiency and renewable energy programs on 

displacing fossil‐based electricity and CO2 emissions in regions across the United States. In particular, 

Synapse explored the following questions: 

What role do new wind, utility‐scale solar PV, base load energy efficiency, and portfolio energy 

efficiency resources play in displacing CO2 emissions from fossil‐based EGUs in different regions 

across the United States? 

How much have historical energy efficiency programs in the United States displaced CO2 

emissions from fossil‐based EGUs? 

Overall, results illustrate the pronounced effect energy efficiency and renewable energy has on 

displacing electricity and emissions from fossil‐based generators. The larger the proportion of higher 

carbon‐emitting resources in a region’s existing generation capacity mix, the larger a role energy 

efficiency and renewable energy can play in displacing CO2 emissions. Additionally, the more these zero‐

emitting resources are implemented in a region, the larger is the volume of CO2 emissions displaced as a 

percentage of total fossil EGU CO2 emissions. Due to the structure of AVERT, described in more detail 

below, displaced electricity and emissions discussed in this chapter refer primarily to displacements 

occurring at the operating margin (introduced in Chapter 1).  

6.2. The AVoided Emissions and geneRation Tool (AVERT) 

In 2014, Synapse Energy Economics developed AVERT under contract with EPA. The computer‐based 

tool assists state and regional air quality managers, EPA, and other stakeholders estimate the extent to 

which energy efficiency and renewable energy can displace emissions from fossil‐fired stationary 

electrical generating units (EGUs). AVERT is free and publically available, and has a simple user interface; 

non‐experts can easily evaluate county, state, and regional emissions displaced at electric power plants 

from a wide range of energy efficiency and renewable energy policies and programs.72 The model 

endured rigorous testing and external peer‐review prior to release. 

AVERT is a unique class of model, designated as a “behavioral” simulator. Unlike traditional electricity 

system simulation dispatch or production cost models, this model does not use operating costs to 

estimate how and when a unit dispatches to meet load requirements. Rather, the model predicts unit 

operation based on historical patterns and use. One significant advantage is that the model can be 

driven entirely by historical, publicly available data: the actual generation output and emissions of real 

                                                            

72 AVERT, along with a user manual, is available for free download at www.epa.gov/avert. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 35  

units in the recent past. Using this dataset only, the model replicates actual unit generation behaviors 

such as base load, intermediate, and peaking behavior, units that have a must‐run designation (i.e. are 

required to operate for reliability reasons, and often operate at minimum levels to maintain the ability 

to meet load), as well as forced and maintenance outages. In addition, the model accurately represents 

the relationship between unit generation and emissions, with characteristics such as a decreasing heat 

rate (i.e. increasing efficiency) at higher levels of output, higher emissions from units that are just 

warming up, and seasonally changing emissions for units with seasonal environmental controls. Analyses 

are conducted by region, with the continental United States divided into 10 reasonably autonomous 

electricity‐market trading and dispatch areas. These AVERT regions are based on aggregations of the 

eGRID subregions used by EPA, and are similar, but not identical, to North American Electric Reliability 

Corporation regions. Figure 20 shows a map of the model’s regions, several of which represent 

electricity market areas or balancing authorities. The remainder of this chapter is dedicated to 

presenting and discussing the results of the case studies. 

Figure 20. U.S. regions represented in AVERT 

 Source: EPA.gov/AVERT. 

6.3. Case Study 1: CO2 Emissions Displacement Potentials from Energy Efficiency and Renewable Energy Resources in 10 U.S. Regions 

 

The first study exploits AVERT’s ability to evaluate displaced emission benefits at the unit level and at 

hourly time‐steps in different regions across the United States. Different energy efficiency and 

renewable energy resources have the potential to displace fossil EGU emissions in dissimilar ways. A 

new wind power resource, for example, can disproportionately displace coal‐fired electricity generation 

(and thus a larger quantity of emissions) because the wind typically blows stronger at nighttime—

periods of low demand when coal EGUs can be on the margin. In contrast, a wide‐ranging air 

conditioning energy efficiency program can reduce a large amount of electricity demand during peak 

load times. The purpose of this case study is to explore the relative effects of different energy efficiency 

and renewable energy resources with different temporal profiles on displaced CO2 emissions in different 

regions. To do so, Synapse evaluated four resource types—two energy efficiency resources, wind, and 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 36  

utility‐scale solar PV—entering their estimated profiles into AVERT for each region, and analyzing the 

outputs. 

Figure 21 shows representative three‐day profiles from the Great Lakes/Mid‐Atlantic region for each of 

the four energy efficiency and renewable energy resource types evaluated: (1) a portfolio of energy 

efficiency programs that follows the temporal load pattern of fossil fuel‐fired generation, representing a 

mix of energy efficiency resources targeting some or all hours of the year but preferentially hours with 

higher demand; (2) base load energy efficiency programs, representing an energy efficiency resource 

type with a known MWh reduction over the course of a year and which is expected to reduce load 

equally in all hours; (3) renewable wind power resources based on hourly capacity factors 

representative of each region modeled; and (4) utility‐scale solar PV resources, also based on regionally 

representative solar PV capacity factors. While the temporal profiles for each energy efficiency and 

renewable energy resource modeled varies, an equivalent 3 percent total load reduction is represented 

for each in order to appropriately compare their respective displacement effects in different regions of 

considerably different size and underlying resource base. 

 

Figure 21. Schematic of profiles of energy efficiency and renewable energy programs studied 

 

Source: Fisher, J., De Young, R., and Santen, N.R. (2015) “Assessing the Emission Benefits of Renewable Energy and Energy Efficiency using EPA’s AVoided Emissions and geneRation Tool (AVERT).” Presented at the 2015 U.S. EPA International Emission Inventory Conference "Air Quality Challenges: Tackling the Changing Face of Emissions.” San Diego, CA April 13‐16, 2015. 

Table 3 provides the displaced CO2 emission outputs from AVERT for each of the four energy efficiency 

and renewable energy resource types. Displaced CO2 emissions are reported as a “displaced emission 

rate” (tons of CO2 avoided from fossil generators per MWh avoided production). The displaced emission 

rate illustrates the emission benefits of energy efficiency and renewable energy by level of penetration. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 37  

Overall, results show that there are small differences within an individual region across energy efficiency 

and renewable energy options. On the other hand, there is a relatively pronounced effect of energy 

efficiency and renewable energy across the individual regions. The bolded cells in Table 3 highlight the 

regions with higher displaced CO2 rates, and call attention to the concentration of displaced emissions 

potential in the Midwest and immediately adjacent regions. What is evident in these results is that the 

higher avoided emission rates from energy efficiency and renewable energy are concentrated in regions 

with the highest percentage of coal‐fired EGUs. Figure 22 shows the underlying electricity supply 

resource base in each of the 10 AVERT regions; those with the highest percentage of coal‐fired EGUs are 

the Great Lakes/Mid‐Atlantic (57%), Midwest (48‐66%), Rocky Mountains (56%), and Northwest (53%). 

These results match previous studies that have shown energy efficiency and renewable energy can 

displace emissions at the operating margin by avoiding generation at lower‐cost base load fossil‐fired 

units, as well as more traditional marginal generation types.73,74 Overall results are also consistent with 

other studies, which determine the significance of the underlying capacity mix in driving emissions 

displacement.75,76,77 

Table 3. Displaced CO2 emissions in U.S. regions based on AVERT (tCO2/MWh) 

AVERT Region  Wind  Utility PV  Portfolio energy 

efficiency 

Base load energy 

efficiency 

Northeast  0.46  0.49  0.49  0.48 

Great Lakes / Mid‐Atlantic  0.73  0.73  0.73  0.73 

Southeast  0.63  0.64  0.64  0.64 

Lower Midwest  0.72  0.69  0.70  0.71 

Upper Midwest  0.83  0.80  0.81  0.82 

Rocky Mountains  0.81  0.77  0.78  0.79 

Texas  0.59  0.59  0.59  0.59 

Southwest  0.58  0.54  0.54  0.56 

Northwest  0.70  0.70  0.69  0.70 

California  0.44  0.46  0.46  0.45 

Source: Synapse Energy Economics analysis using EPA AVERT model. 2015. 

                                                            

73 Fisher, J. et al. 2013. “Emissions Reductions from Energy Efficiency and Renewable Energy in California Air Quality 

Management Districts.” California Energy Commission Report CEC‐500‐2013‐047. Prepared for the California Energy Commission by Synapse Energy Economics.  

74 NREL. 2013. The Western Wind and Solar Integration Study Phase 2. Available at: 

http://www.nrel.gov/docs/fy13osti/55588.pdf. 

75 Kaffine et al. 2013. 

76 Siler‐Evans et al. 2013. 

77 Zhai et al. 2012. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 38  

Figure 22. Fossil‐fired electricity generation capacity portfolio in the United States 

Source: EPA AMPD 2014. 

6.4. Case Study 2: CO2 Emissions Displaced from New Energy Efficiency in 2012 Across the United States 

 

The second case study investigates the effect of historical energy efficiency programs in the United 

States on actual displaced emissions. In each of the years from 2010 and 2012, total incremental energy 

efficiency improvements avoided 18.3, 22.7, and 21.4 TWh of electricity generation, respectively, with a 

total cumulative savings in 2012 of approximately 63 TWh.78  

Figure 23 shows the breakdown of 2012 incremental energy efficiency savings by 10 U.S. regions as 

depicted in AVERT, as avoided GWh electricity generation, and by percentage of each region’s total pre‐

energy efficiency fossil electricity generation. Synapse calculated the impact of these incremental energy 

efficiency savings on actual electricity displacement by applying the total GWh savings (shown in Figure 

23) as an annual base load energy efficiency program in each region of AVERT. To avoid double counting 

of energy efficiency programs already integrated into the baseline fossil loads that drive AVERT, 2012 

incremental energy efficiency savings were applied to 2011 baseline AVERT loads. Results are shown in 

Figure 24 and Figure 25. 

Figure 24 shows historical CO2 emissions displaced from new energy efficiency in 2012, and the 

percentage of total CO2 that these displacements represent for each regional electricity system in that 

year. The highest displacements on a mass basis occur in the Great Lakes/Mid‐Atlantic and Upper 

                                                            

78 ACEEE Scorecards 2012‐2014. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 39  

Midwest regions, while on a percentage total CO2 basis, highest displacements occur in the Northeast 

and California. The magnitude of CO2 displacement for each region generally tracks the levels of energy 

efficiency savings from Figure 23. Holding all else equal, as energy efficiency savings increase, displaced 

emissions increase. However, results also reveal a further, fundamental feature of the displaced 

electricity and emissions process: while there are several technical and economic operations of the 

underlying electricity system that interact at any given time to physically displace electricity and 

emissions, a defining trend is that the larger the underlying coal‐fired resource base of a region, the 

higher are the displaced CO2 emissions. An example of this is seen by comparing the California (2% coal) 

and Northwest (53% coal) AVERT regions in Figure 23 and Figure 24. 

While 2200 GWh savings from energy efficiency in AVERT’s California region displaces about 0.95 million 

tons of CO2, less energy efficiency savings (1855 GWh) in the Northwest displaces more CO2 

(approximately 1.3 million tons). The higher coal‐fired resources in the capacity mix present more 

abundant opportunities for energy efficiency and renewable energy resources to displace the CO2 than 

would have otherwise been emitted. These results are consistent with those from Case 1.  

How physical displacements in each region occurred as a result of the region’s energy efficiency program 

is shown in Figure 25 on a detailed hourly timescale. Each image shows the number of days in 2012 on 

the horizontal axis by the number of hours in each day, and warmer colors indicate higher CO2 emission 

displacements occurring in that hour. Generally apparent are the higher CO2 displacements that occur at 

the tail ends of the 24‐hour day (between hours 0‐6 and 22‐24) as electricity demand is lower and more 

low‐cost high‐emitting resources are online and available to be displaced. A similar annual trend of 

higher CO2 displacements occurs in the spring and fall months in most of the regions when electricity 

demand is relatively lower (e.g., less air conditioning, less electric heating). However, there are 

exceptions to this trend that show that energy efficiency savings can also displace large amounts of CO2 

at times of high electricity demand. In the Northeast, the highest CO2 displacements occur during the 

winter and summer, when an energy efficiency program can significantly displace low‐efficiency natural 

gas and oil‐fired generators with high CO2 emission rates. Likewise, in the Northwest, the highest CO2 

displacements occur in the spring and early summer when annual precipitation is at its lowest in the 

region (and thus less hydropower available), which presents more opportunity for fossil‐resources to 

meet demand and be displaced. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 40  

Figure 23. Incremental energy efficiency savings (GWh) in the U.S. (top) and energy efficiency savings as a percent of total fossil load (bottom), 2012 

 

 

Source: Synapse Energy Economics analysis using EPA AVERT model. 2015. 

‐7000

‐6000

‐5000

‐4000

‐3000

‐2000

‐1000

0

California Northwest SouthwestRocky

Mountains TexasLower

MidwestUpper

Midwest

Great Lakes/ Mid‐Atlantic Southeast Northeast

energy efficiency In

cremental G

Wh 

Savings

0.0%

0.5%

1.0%

1.5%

2.0%

2.5%

3.0%

3.5%

California Northwest Southwest RockyMountains

Texas LowerMidwest

UpperMidwest

Great Lakes/ Mid‐Atlantic

Southeast Northeast% energy efficiency GWh

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 41  

Figure 24. CO2 emissions displaced by incremental energy efficiency programs in the U.S., 2012 

 

 

 

Source: Synapse Energy Economics analysis using EPA AVERT model. 2015. 

 

‐5000

‐4000

‐3000

‐2000

‐1000

0

California Northwest SouthwestRocky

Mountains TexasLower

MidwestUpper

Midwest

Great Lakes/ Mid‐Atlantic Southeast Northeast

Displaced CO2 Tons (1000s)

0.00%

0.50%

1.00%

1.50%

2.00%

2.50%

California Northwest Southwest RockyMountains

Texas LowerMidwest

UpperMidwest

Great Lakes/ Mid‐Atlantic

Southeast Northeast

Displaced CO2

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 42  

Figure 25. Hourly displaced CO2 emissions (tons) from fossil‐fired EGUs from incremental energy efficiency programs in the U.S., 2012 

 

Source: Synapse Energy Economics analysis using EPA AVERT model. 2015. 

 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy 43  

Figure 25 (cont.) Hourly displaced CO2 emissions (tons) from fossil‐fired EGUs from incremental energy 

efficiency programs in the U.S., 2012 

 Source: Synapse Energy Economics analysis using EPA AVERT model. 2015. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy A1  

APPENDIX A: EXPANDED METHODS AND LITERATURE REVIEW 

The following appendix provides details of many key studies cited in Chapter 2.3, providing an overview 

of two common approaches for studying displaced emissions. 

As noted, a large number of academic studies over the past decade have sought to estimate the 

electricity generation displaced by energy efficiency and renewable energy, and the subsequent 

displaced emissions.79,80,81,82,83,84,85,86,87,88,89,90,91,92,93,94 The majority of these studies integrate various 

features that are known, or can be observed, about the underlying electricity system into quantitative 

models that calculate the amount of electricity and emissions displaced in a system for given levels of 

renewable energy and energy efficiency. Methods for evaluation vary, but are typically based in either 

statistical approaches, or detailed optimization or simulation approaches. 

The simplest of the statistical methods involves calculating an average emission rate using historical data 

on all operating EGUs in a region to apply as the rate by which emissions are reduced in the future. 

However, a more contemporary statistical approach is to statistically derive a marginal emissions rate to 

represent the operating EGUs in a given region.  

In a study of carbon emissions displacement from various end‐use efficiency measures in England and 

Wales, Bettle, Pout, and Hitchen (2006) developed an approach using marginal emission factors that 

consider particular seasons and times of day. While the authors found no systematic difference in the 

                                                            

79 Bettle, R., C.H. Pout, and E.R. Hitchin. 2000. 

80 Cullen, J. 2013. 

81 Kaffine, D.T., B.J. McBee, and J. Lieskovsky. 2013. 

82 Siler‐Evans, K., I.L. Azevedo, M.G. Morgan, and J. Apt. 2013. 

83 Hausman, E., J. Fisher, and B. Biewald. 2008. 

84 High, C. and G. Neeraj. 2011. 

85 Newcomer, A., S.A. Blumsack, J. Apt, L.B. Lave, and M.G. Morgan. 2008. 

86 Rothschild, S. and A. Diem. 2009. 

87 Zhai, P., P. Larsen, D. Millstein, S. Menon, and E. Masanet. 2012. 

88 Denny, E. and M. O’Malley. 2006. 

89 Denny, E. and M. O’Malley. 2007. 

90 Denholm, P., R.M. Margolis, and J. M. Milford. 2009. 

91 Fisher, J. et al. 2009. 

92 Valentino, L., V. Valenzuela, A. Botterud, Z. Zhou, and G. Conzelmann. 2012. 

93 NREL. 2013. 

94 SEAI. 2012. 

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy A2  

total carbon emissions savings from different end‐use programs, their analysis confirmed that emission 

displacement increases with the scale of demand reduction, and also exposed a correlation between 

nighttime storage heater use and higher emission intensities implying that coal is on the margin during 

nighttime winter months.  

Cullen (2013) uses a more sophisticated statistical model to estimate the impact of wind generation in 

Texas on CO2 displacement. His model extended typical statistical approaches and included network 

congestion effects, changing efficiencies of fossil‐fuel generators over time, generator outages, 

generator pricing strategies, fuel prices, as well as lagged variables for generator output over time to 

control for the influence generator outputs can have on future output. Results conclude that wind 

typically displaces natural gas combined‐cycle plants, and in some cases less efficient simple‐cycle 

natural gas turbines.  

Kaffine, McBee, and Lieskovsky (2013) also study the impact of wind generation in Texas on emissions 

displacement in additional detail. The authors’ statistical approach involved using hourly generator and 

emission data to implicitly account for the marginal unit of generation; they find that the underlying 

generation portfolio of a region is a strong driver of displacement potential from wind. Amor et al. 

(2014) use similar methods to study electricity prices and carbon emissions displacement resulting from 

increasing wind generation in Ontario.  

Finally, in a paper examining the impact of renewable energy on avoided health impacts, Siler‐Evans et 

al. (2013) refined previous statistical methods even further using hourly incremental changes in 

emissions against incremental changes in energy, and divided the year into numerous “bins” of total 

generation to account for fundamentally different dispatch at different load levels. Their results 

underscore the variation in displacement effects across different regions, and the manner in which it is 

impacted by the specific type of renewable resource and meteorology, and the underlying electricity 

generation capacity resource mix from which emissions are being displaced. 

A second common approach to calculating displaced emissions from energy efficiency and renewable 

energy resources uses, directly or indirectly, numerical electricity dispatch models. These models are 

typically more complex simulation or optimization electricity dispatch models that represent the 

detailed features of the underlying physical electrical system, costs, and operational constraints of 

individual generators, transmission, and aspects of how the regional market is organized and run.  

Zhai et al (2012) studied the potential for displaced emissions from a 10 percent penetration of solar PV 

in the United States using the EnergyPLAN model, a medium‐resolution electricity dispatch optimization 

model representing technologies in groups. The authors find carbon emissions displacement as driven 

by the underlying generation capacity mix of a region, the emission rates of existing fossil plants, and PV 

capacity factors that can be realized in different states. In an earlier study, Denny and O’Malley (2006) 

used a similar approach with a dispatch optimization model to study displaced emissions potentials for a 

system with wind power. They found that increased wind capacity displaced fossil emissions, and 

confirmed this in a follow‐up study in 2007.  

 

Synapse Energy Economics, Inc.  Emissions Displacement by Energy Efficiency and Renewable Energy A3  

Using still finer‐resolution production cost models with hourly chronological dispatch and unit‐

commitment to evaluate energy efficiency and renewable energy avoided emissions, Denholm, 

Margolis, and Milford (2009) employ ABB’s PROSYM production cost model to evaluate how deep 

penetrations of solar energy (up to 10 percent) in western U.S. states avoid generation and emissions 

throughout the west. They find that in California, a state with a large fraction of natural gas EGUs, solar 

PV displaces CO2 emissions from natural gas at the margin (and imports). However, in Colorado, which 

generates and uses a substantial amount of coal‐fired power, emissions begin being displaced from coal 

EGUs during non‐summer months and at higher PV penetrations (emissions from natural gas are still 

displaced at lower PV penetrations).  

Fisher et al. (2011) also used the PROSYM engine to test how a series of energy efficiency and renewable 

energy projects in California could impact individual generators across the western United States, 

specifically examining emissions reductions in California air districts. The authors found that, depending 

on the location of the energy efficiency and renewable energy resource, avoided emissions could either 

be highly localized or based on generators across state lines. Coal generators were also impacted more 

than might be expected based on traditional indicators of marginal units.  

Valentino et al. (2012) constructs an optimization model with unit‐commitment and electricity dispatch 

to estimate emission reductions from increased wind power in Illinois. Results show that while wind 

power can increase cycling of fossil‐based EGUs and thus short‐term emissions, overall the direction is 

to reduce emissions from replacement of fossil‐fuel use.  

The 2013 National Renewable Energy Laboratory’s Western Wind and Solar Integration Study used a 

similar dispatch optimization modeling approach to understand the effects of wind power on thermal 

plant cycling. The study documented little effect in emissions increases due to cycling, and that at 

increasing levels of renewable energy, electricity from more traditional low cost resources such as coal 

can be displaced.  

Finally, in 2012 the Sustainable Energy Authority of Ireland (SEAI) released a study quantifying the effect 

of fuel and CO2 emissions displacement from renewable energy. Using the PLEXOS production cost and 

dispatch modeling platform, results showed sizeable CO2 displacement potential from renewable 

energy, as much as the electricity demand of 780,000 Irish households; wind power was the largest 

contributor to displaced emissions. 


Recommended